氧化鉍可見光光催化性能的增效改性研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，有機(jī)污染物的大量排放嚴(yán)重威脅到人類健康和環(huán)境安全。如何高效、經(jīng)濟(jì)地處理這些環(huán)境問題，已成為科研工作者面臨的重要課題。在現(xiàn)有的各種污染物處理技術(shù)中，作為新型高級氧化技術(shù)的光催化技術(shù)，因其具備操作簡單、效率高、綠色、安全等優(yōu)點，可用于解決上述問題。氧化鉍半導(dǎo)體催化材料，因其具有良好的介電、光學(xué)和離子導(dǎo)電性能，被認(rèn)為是極具應(yīng)用前景的可見光光催化材料。本論文以環(huán)境水污染治理為研究背景，重點對氧化鉍展開改性研究以提高其可見光光

2、催化活性。主要研究內(nèi)容和結(jié)果包括：
　?。?）采用第一性原理方法，研究了Bi2O3晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)與其光催化性能之間的關(guān)系，探討了晶型與電子結(jié)構(gòu)間的協(xié)同效應(yīng)對氧化鉍可見光催化性能的影響。利用MS軟件的CASTEP模塊對α-Bi2O3、β-Bi2O3、γ-Bi2O3、δ-Bi2O3的幾何結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了理論計算。結(jié)果表明α-Bi2O3和β-Bi2O3為層狀結(jié)構(gòu)，γ-Bi2O3和δ-Bi2O3為網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)

3、，其中δ-Bi2O3交聯(lián)程度較高，呈現(xiàn)導(dǎo)體特性。各晶相的導(dǎo)帶主要由Bi6p軌道構(gòu)成，價帶主要由O2p軌道構(gòu)成。α-Bi2O3和β-Bi2O3的吸收帶邊均延伸到了可見光區(qū)，因此它們具有可見光催化活性。γ-Bi2O3和δ-Bi2O3的吸收帶邊均延伸擴(kuò)展到了紅外光區(qū)，因此它們具一定的紅外光激發(fā)特征。這些理論計算結(jié)果，為新型Bi2O3光催化材料的設(shè)計和應(yīng)用提供了重要的理論指導(dǎo)。
　　（2）采用理論設(shè)計加實驗驗證的方法，通過聚丙烯酰胺溶膠凝

4、膠法制備得到了鐠摻雜α-Bi2O3的新型可見光光催化材料。通過第一性原理方法對Pr摻雜α-Bi2O3體系進(jìn)行了理論計算研究。計算結(jié)果表明Pr摻雜α-Bi2O3后，Pr的4f軌道發(fā)生分裂，高能軌道進(jìn)入導(dǎo)帶并與O2p、Bi6p軌道發(fā)生作用，低能軌道進(jìn)入禁帶形成新的雜質(zhì)能級，從而使得禁帶寬度減小，光吸收帶邊發(fā)生紅移，計算結(jié)果表明Pr摻雜可有效提高α-Bi2O3的可見光催化活性。以理論計算結(jié)果為設(shè)計指導(dǎo)，制備得到α-Bi2O3和Pr摻雜α-Bi

5、2O3的納米催化劑顆粒。通過可見光催化降解甲基橙對樣品的可見光催化活性進(jìn)行了評價，實驗結(jié)果與計算結(jié)果相一致，Pr摻雜α-Bi2O3表現(xiàn)出了更高的可見光催化活性，這為新型高效可見光催化材料的研發(fā)和改性設(shè)計提供了新的研究思路。
　?。?）采用簡易的揮發(fā)法制備得到β-Bi2O3/石墨烯復(fù)合材料，通過可見光催化降解亞甲基藍(lán)對樣品的可見光催化活性進(jìn)行了評價。結(jié)果表明與β-Bi2O3相比，β-Bi2O3/石墨烯復(fù)合材料表現(xiàn)出了更高的可見光催化

6、活性。石墨烯的高效電子捕獲和傳導(dǎo)能力，可有效促進(jìn)光生電子-空穴對分離，將光生電子快速轉(zhuǎn)移至石墨烯片層的表面，使更多的光生電荷參與到光催化反應(yīng)中，從而提高光催化活性。
　?。?）采用化學(xué)氧化聚合法在乙二醇溶液中，制備得到PANI/β-Bi2O3復(fù)合光催化材料，通過可見光催化降解酸性橙7對其光催化活性進(jìn)行了評價。結(jié)果表明，聚苯胺含量為5%時，復(fù)合物的光催化活性最高。與β-Bi2O3納米顆粒相比，PANI/β-Bi2O3復(fù)合物表現(xiàn)出了更

7、高的光催化性能，解釋了PANI/β-Bi2O3復(fù)合物的光催化機(jī)理。聚苯胺是優(yōu)良的空穴接受體，可有效分離光生電荷，降低光生電子-空穴對的復(fù)合，從而提高β-Bi2O3的光催化活性。
　?。?）通過降解羅丹明B對β-Bi2O3納米顆粒的超聲催化活性及其超聲耦合光催化協(xié)同作用進(jìn)行了研究。結(jié)果表明β-Bi2O3納米顆粒具有良好的超聲催化活性。系統(tǒng)研究了超聲頻率（f），反應(yīng)溫度（T），催化劑投加量（Ccatalyst），羅丹明 B初始濃度（C